摘 要

摘　要：为研究热力站供热量与居住建筑用户实际热负荷的关系，建立了供热系统数学模型，采用Matlab对数学模型编程计算。得到热力站进出水温度不变情况下，用户室内温度、热负荷随室

摘　要：为研究热力站供热量与居住建筑用户实际热负荷的关系，建立了供热系统数学模型，采用Matlab对数学模型编程计算。得到热力站进出水温度不变情况下，用户室内温度、热负荷随室外温度的变化曲线。

关键词：居住建筑；供热量；热负荷；模拟

Simulation of Indoor Temperature and Heat Load in Residential Building

Abstract：In order to study the relationship between the heat supply quantity of substation and the actual heat load of residential buildings，the mathematical model of the heating system is established and calculated by Matlab program．The variation curves of user indoor temperature and heat load with outdoor temperature are obtained under the condition of constant temperature at inlet and outlet of substation．

Keywords：residential building；heat supply quantity；heat load；simulation

 

随着城市建设的发展和人们生活水平的提高，在城市总能耗中建筑能耗占比越来越大，而冬季供暖能耗甚至占到建筑总能耗的56％～58％，在能源问题日益突出的今天，节能成为人们日益关注的焦点^[1-2]。目前集中供热系统的供热量由供热公司根据室外温度以及运行经验确定，热源的供热量与用户热负荷之间存在不平衡^[3]。当住宅小区二级管网形式、建筑类型和供暖面积等参数确定后，在维持室内温度基本恒定的条件下，影响用户热负荷的主要因素是室外温度。本文建立住宅小区供热系统的数学模型，研究热力站一级侧进出水温度不变的情况下，室外温度变化对用户室内温度的影响，并分析设定室内温度条件下用户热负荷。

1　供热系统的数学模型

1.1　小区供热系统结构

小区供热系统结构见图l。小区供热系统划分为3个部分：热力站、二级管网、用户。

 

图中qm,1,s——热力站一级侧质量流量，kg/s

qm,2,s——热力站二级侧总质量流量，kg／s

qm,1、qm,2、qm,3——用户1～3质量流量，kg／s

q1,1、q1,2——热力站一级侧进、出水温度，℃

q2,2、q2,1——热力站二级侧进、出水温度，℃

q3,1、q4,1、q5,1——管段AB、BC、CD出水温度(即用户1～3进水温度)，℃

qd,1、qd,2、qd,3——用户1～3出水温度，℃

q3,2、q4,2——管段FG、EF出水温度，℃

1．2　数学模型

①热力站

忽略换热器的热损失，热力站二级侧储存的热量为一级侧输入的热量与二级侧输出的热量之差。热力站二级侧出水温度q2，1。可按下式计算：

 

式中Eex——热力站二级侧储存的热量，J／℃

t——时间，s

cp——水的比定压热容，J／(kg·K)，取4200J／(kg·K)

②管网

管段AB、Bc、cD、EF、FG、GH储存的热量为输入管段的热量与管道散热损失之差。各管段出水温度计算式如下。

管段AB：

 

式中EAB——管段AB储存的热量，J／℃

Kn——埋地管道的传热系数，W／(m²·K)

AAB——管段AB的散热面积，m²

qsoil——土壤温度，℃

管段BC：

 

式中EBC——管段BC储存的热量，J／℃

ABC——管段BC的散热面积，m²

管段CD：

 

式中ECD——管段CD储存的热量，J／℃

ACD——管段CD的散热面积，m²

管段EF：

 

式中EEF——管段EF储存的热量，J／℃

AEF——管段EF的散热面积，m²

管段FG：

 

式中EFG——管段FG储存的热量，J／℃

qF——节点F热水温度，℃

AFG——管段FG的散热面积，m²

管段GH：

 

式中EGH——管段GH储存的热量，J／℃

qG——节点G热水温度，℃

AGH——管段GH的散热面积，m²

节点F、G热水温度的计算式为：

 

③散热器

散热器储存的热量为供水管网输入的热量与散热器散热量之差，散热器的表面温度取散热器进水与出水算术平均值。热用户l～3散热器的出水温度可按下式计算：

 

式中Er,1、Er,2、Er,3——用户1～3散热器储存的热量，J／℃

Kd,1、Kd,2、Kd,3——用户1～3散热器散热系数，W／(m²·K)

Ad,1、Ad,2、Ad,3——用户1～3散热器散热面积，m²

qz,1、qz,2、qz,3——用户1～3室内温度，℃

④房间

忽略太阳得热量、冷风渗透耗热量等，房间储存的热量为散热器散热量与围护结构散热量之差。用户1～3房间温度可按下式计算：

 

式中Ez,1、Ez,2、Ez,3——用户1～3房间储存的热量，J／℃

Hw,1、hw,2、hw,3——用户1～3外墙内表面传热系数，W／(m²·K)

Aw,1、Aw,2、Aw,3——用户1～3外墙内表面积，m²

qw,1、qw,2、qw,3——用户1～3外墙内表面温度，℃

Kb,1、Kb,2、Kb,3——用户1—3外窗的传热系数，W／(m²·K)

Ab,1、Ab,2、Ab,3——用户1～3外窗面积，m²

q0——室外温度，℃

⑤外墙

忽略外墙内部的温度变化，即采用集总热容法建立外墙数学模型，外墙储存的热量为外墙内侧输入的热量与外侧输出的热量之差。各用户外墙温度可按下式计算：

 

 

式中Ew,1、Ew,2、Ew,3——用户1～3外墙储存的热量，J／℃

h¢w,1、h¢w,2、h¢w,3——用户1～3外墙外表面传热系数，W／(m²·K)

A¢w,1、A¢w,2、A¢w,3——用户1～3外墙外表面积，m²

⑥用户热负荷

忽略太阳得热量、冷风渗透耗热量等，用户1～3热负荷近似等于围护结构基本耗热量。第i个用户热负荷的计算式为：

 

2　仿真计算与分析

①基础参数

某小区配置一座热力站，供热面积为25920m²，用户分为3个区域，用户1～3的供热面积分别为6480、8640、10800m²。供热系统参数的计算方法见文献[4]，供热系统参数见表1。用户1～3的相关参数见表2，表2中各量符号下标的i表示第i个用户。采用Matlab／simulink对数学模型进行仿真。

 

 

②模拟结果

在热力站一级侧进出水温度不变的情况下，以t＝0h时室外温度q0为-10℃，用户l～3初始室内温度为-7℃，外墙内表面温度为-9℃作为初始条件。在扛10h时q0从-10℃阶跃到-5℃为仿真条件，模拟用户1～3室内温度。用户1～3室内温度随室外温度的变化见图2。由图2可知，随着供热系统运行，用户室内温度逐渐升高，当室外温度升高5℃时，各用户的室内温度出现向上的拐点，并继续升高。

 

将用户1作为研究对象，在热力站一级侧进出水温度不变的情况下，以t=0h时室外温度q0为-10℃，用户1室内温度为16℃，外墙内表面温度为-2.5℃作为初始条件。在t=10h时q0从-10℃阶跃到-5℃为仿真条件，模拟用户1热负荷，见图3。由图3可知，当室外温度升高5℃后，用户1的热负荷明显下降，这是由于式(1)等号右侧第2项中的室外温度由-10℃阶跃至-5℃造成的。此后，随着外墙内表面温度继续升高，用户1的热负荷逐渐下降。

 

3　结语

热力站供热量与用户热负荷之间存在差别，在室外温度变化的情况下，可采用前馈动态补偿器、史密斯预估控制器用于热力站二级侧供水温度控制，使热力站供热量与用户热负荷基本一致。

 

参考文献：

[1]肖常磊，付林，郑忠海，等．供暖系统中气候补偿器应用探讨[J]．暖通空调，2007，37(11)：136-140．

[2]刘靖．供热系统的动态调节[J]．建筑热能通风空调，2000(3)：47-48．

[3]王起，梁雅滨，曾理，等．热计量供热系统调节方式[J]．煤气与热力，2003，23(1)：33-36．

[4]LI Lianzhong，ZAHEERUDDIN M．A control strategy for energy optimal operation of a district heating system[J]．International Journal of Energy Research，2004(28)：597-612．

 

本文作者：张艳玲  宋永明

作者单位：山东建筑大学

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